趙 軍 ，吳博深，武延亮，陳偉中，趙新建

1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610500

2.陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)有限責(zé)任公司采氣一廠，陜西 延安716000

3.中國(guó)石油塔里木油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 庫(kù)爾勒841000

引言

近年來(lái)，深層、超深層致密氣藏已成為中國(guó)油氣勘探的熱點(diǎn)領(lǐng)域。目前，針對(duì)超深層致密氣藏有效儲(chǔ)層的識(shí)別主要基于孔滲參數(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)等宏、微觀物性參數(shù)，并結(jié)合試油和生產(chǎn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層有效性[1-4]。

姚軍朋等[5]采用K-means 聚類(lèi)方法，優(yōu)選礦物組分、孔滲參數(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和束縛水飽和度作為儲(chǔ)層分類(lèi)評(píng)價(jià)的敏感參數(shù)，將儲(chǔ)層有效性分為4 大類(lèi)，建立了儲(chǔ)層有效性的分類(lèi)評(píng)價(jià)模式。陳國(guó)軍[6]針對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地準(zhǔn)平地泉組致密儲(chǔ)層，采用核磁T2譜構(gòu)建偽毛管曲線并計(jì)算孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，據(jù)此優(yōu)選敏感參數(shù)，結(jié)合測(cè)試產(chǎn)能建立了儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。閆建平等[7]利用核磁資料建立了T2譜與孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而利用核磁共振測(cè)井識(shí)別孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型，為致密低滲儲(chǔ)層的有效識(shí)別提供的了依據(jù)。郝以嶺等[8]提出了基于核磁測(cè)井的滲透率計(jì)算模型，并在此基礎(chǔ)上建立儲(chǔ)層的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)和有效性評(píng)價(jià)方法。唐軍等[9]利用斯通利波滲透率、反射系數(shù)對(duì)塔里木盆地致密砂巖儲(chǔ)層的有效性進(jìn)行了分析，確立了研究區(qū)致密氣藏的分類(lèi)劃分方法。除此之外，肖承文等[10]還從影響儲(chǔ)層致密性的力學(xué)機(jī)制出發(fā)，分析儲(chǔ)層有效性與有效應(yīng)力和水平應(yīng)力的關(guān)系，提出了利用水平地應(yīng)力差和有效應(yīng)力比等巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層有效性的方法。

這些方法確定的有效儲(chǔ)層分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)都是在大量統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上得出的，需要有大量代表性的巖芯分析數(shù)據(jù)為前提，同時(shí)，確定的下限和標(biāo)準(zhǔn)往往是固定不變的。

上述方法都未考慮處于不同埋深條件下的儲(chǔ)層的成巖演化及油氣充注成藏條件的差異而引起的有效儲(chǔ)層分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的不同。而根據(jù)油氣運(yùn)移成藏機(jī)制，在一定埋深條件下，只有當(dāng)油氣的驅(qū)替力（浮力）大于儲(chǔ)層的臨界毛管壓力的時(shí)候，油氣才能充注到儲(chǔ)層中去。隨著埋深的變化，儲(chǔ)層的臨界毛管壓力也是變化的，因此，油氣充注成藏的有效儲(chǔ)層界限也是變化的[11-22]。根據(jù)這一思想，本文通過(guò)油氣成藏過(guò)程中毛管壓力對(duì)油氣成藏的控制作用，分析儲(chǔ)層與相鄰泥巖孔喉半徑的大小及其比值，評(píng)價(jià)致密儲(chǔ)層與相鄰泥巖之間毛管壓力的差異性及其與儲(chǔ)層產(chǎn)能之間的關(guān)系，利用反映毛管壓力差異性的孔喉比參數(shù)及其與產(chǎn)能的匹配關(guān)系，建立致密砂巖有效儲(chǔ)層的判別標(biāo)準(zhǔn)，以此指導(dǎo)克拉蘇西部深層氣藏“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層的目標(biāo)優(yōu)選。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

克拉蘇西部地區(qū)位于天山南麓與塔北隆起之間，庫(kù)車(chē)拗陷克拉蘇構(gòu)造帶西端，是一個(gè)以中、新生界沉積為主的前陸盆地，其主要目的層位于白堊系（圖1）。

圖1 研究工區(qū)區(qū)域構(gòu)造圖Fig.1 Regional structure diagram of the study area

該研究區(qū)氣藏埋深普遍超過(guò)6 000 m，受埋深、多期構(gòu)造、成巖等因素的影響，白堊系巴什基奇克組砂巖段巖芯孔隙度最小0.90%，最大11.63%，平均約為4.26%，其中，孔隙度大于8.00% 的樣品僅占總體的8.15%（圖2a）；滲透率最小0.001 mD，最大27.500 mD，平均約為0.436 mD，滲透率大于1.000 mD 的樣品僅占總體的6.82%（圖2b），屬于典型的深層致密砂巖儲(chǔ)層。

圖2 研究區(qū)目的層段物性分布直方圖Fig.2 Histogram of physical property distribution in the target interval of the study area

對(duì)此類(lèi)致密砂巖儲(chǔ)層中有效儲(chǔ)層的識(shí)別與分類(lèi)是油氣勘探的關(guān)鍵。

2 砂泥孔喉比的確定

相鄰巖層之間由于巖石孔喉喉道半徑之間的差異性，導(dǎo)致兩者之間存毛管壓力差，孔喉半徑之間的差異性越大，毛管壓力差就表現(xiàn)得越明顯，油氣通過(guò)的能力就越小[23-25]。因此，儲(chǔ)蓋之間毛管壓力差是衡量聚集油氣及儲(chǔ)層有效性的基本條件。

由油層物理可知，巖石的毛管壓力通常與兩相之間的界面張力和接觸角以及喉道半徑密切相關(guān)，由毛管壓力理論可推得毛管壓力計(jì)算公式為

式中：pc—毛管壓力，MPa；

σ—表面張力，N/m；

r—孔喉半徑，μm；

θ—接觸角，（°）。

對(duì)于相鄰的砂泥巖地層，由于σ 和θ 大致相同，根據(jù)毛管壓力公式，它們毛管壓力的比值只與各自的孔喉半徑有關(guān)，即

式中：

pcsh—泥巖的毛管壓力，MPa；

pcsd—砂巖的毛管壓力，MPa；

rsd—砂巖的孔喉半徑，μm；

rsh—泥巖的孔喉半徑，μm。

因此，砂巖與泥巖的毛管壓力比值就可以轉(zhuǎn)換為兩者的孔喉半徑比值。砂泥巖孔喉半徑比值越大，砂巖中越容易聚集油氣。

根據(jù)研究區(qū)儲(chǔ)層86 塊壓汞資料分析表明，砂巖的孔喉半徑與孔隙度相關(guān)性較好（圖3），利用壓汞數(shù)據(jù)擬合得到砂巖孔喉半徑與孔隙度之間關(guān)系為

圖3 砂巖孔隙度與孔喉半徑關(guān)系圖Fig.3 Diagram of porosity and radius of pore throat of sandstone

式中：

?—砂巖的孔隙度，%。

對(duì)于泥巖層段在正常壓實(shí)條件下有效應(yīng)力與深度具有較好的相關(guān)性（圖4），利用研究區(qū)泥巖段的現(xiàn)場(chǎng)有效應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，建立了泥巖的有效應(yīng)力與深度的經(jīng)驗(yàn)公式如下

圖4 泥巖段有效應(yīng)力與深度的關(guān)系圖Fig.4 Diagram of effective stress and depth in mudstone section

式中：

pe—泥巖的有效應(yīng)力，MPa；

H—深度，m。

巖石的壓實(shí)作用改變了地層的有效應(yīng)力，導(dǎo)致巖石孔喉直徑減小，孔隙之間連通程度變壞，儲(chǔ)層的孔、滲變差。因此，有效應(yīng)力對(duì)巖石的孔喉半徑的大小有較大的影響。根據(jù)研究區(qū)3 口井15 個(gè)泥巖的壓汞資料，首先，利用公式（4）計(jì)算其對(duì)應(yīng)深度的有效應(yīng)力，然后，與壓汞資料的孔喉半徑擬合，如圖5 所示，得到如下公式

圖5 泥巖有效應(yīng)力與孔喉半徑關(guān)系圖Fig.5 Diagram of effective stress of mudstone and radius of pore throat

利用砂巖和泥巖的孔喉半徑計(jì)算公式，分別計(jì)算研究區(qū)目的層段砂巖及上部鄰近泥巖的孔喉半徑，將目標(biāo)層段所有經(jīng)試氣證實(shí)的有效儲(chǔ)層和干層的孔喉半徑比值與相應(yīng)深度做散點(diǎn)圖，如圖6 所示，根據(jù)干層點(diǎn)與有效儲(chǔ)層點(diǎn)在圖中的分布，可以確定出研究區(qū)干層與有效儲(chǔ)層的分布范圍，圖中干層與有效儲(chǔ)層之間存在著一條明顯的界限，該界限值隨深度的增加而緩慢增加。

圖6 砂泥孔喉半徑比與埋深的關(guān)系Fig.6 Relationship between hole throat radius ratio and buried depth

根據(jù)該界限值隨深度的變化關(guān)系，擬合得出儲(chǔ)、干層的孔喉半徑比界限值隨埋深變化的關(guān)系式

同時(shí)，對(duì)圖6 中比值最大值的包絡(luò)線進(jìn)行回歸擬合，可得最大孔喉半徑比值隨深度變化的關(guān)系式

為了定量地表征孔喉半徑比值界限值與最大值之間的有效儲(chǔ)層儲(chǔ)滲性能的好壞，建立孔喉半徑比值指數(shù)RI

式中：RPTc—孔喉半徑比界限值；

—最大孔喉半徑比值；

RI—孔喉半徑比值指數(shù)；

RPT—任意深度點(diǎn)的孔喉半徑比值。

RI值越小，表示蓋儲(chǔ)層孔喉比值越小，說(shuō)明同深度下儲(chǔ)層的喉道半徑越大，因而，儲(chǔ)層的物性越好。不同類(lèi)型的儲(chǔ)層RI值分布范圍不同，因此，可以用RI值來(lái)劃分不同類(lèi)型的有效儲(chǔ)層。

3 基于RI值的儲(chǔ)層分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

為了將有效儲(chǔ)層合理、客觀地進(jìn)行分類(lèi)，考慮以儲(chǔ)層產(chǎn)氣量指標(biāo)為有效儲(chǔ)層分類(lèi)劃分依據(jù)，根據(jù)產(chǎn)氣量的大小，按產(chǎn)氣量的相似程度將其劃分為幾大類(lèi)，最終形成一個(gè)可行的分類(lèi)系統(tǒng)，并用譜圖的方式直觀地展示出來(lái)。聚類(lèi)圖能夠較好地把各元素之間的相似性和分類(lèi)呈現(xiàn)出來(lái)，并通過(guò)聚類(lèi)分析，可定量計(jì)算各元素之間的相似程度，從而為儲(chǔ)層分類(lèi)提供良好的依據(jù)。

具體方法是：先將n個(gè)樣品歸為一類(lèi)，計(jì)算n個(gè)樣品之間的相似測(cè)度，同時(shí)合并最小測(cè)度的兩個(gè)樣品為一類(lèi)，再根據(jù)一定的聚類(lèi)法則計(jì)算這個(gè)類(lèi)和其余樣品之間的測(cè)度，重復(fù)上述過(guò)程，并始終使并類(lèi)的測(cè)度在系統(tǒng)中保持最小，直到所有樣品都實(shí)現(xiàn)了并類(lèi)。通過(guò)上述相似性聚類(lèi)過(guò)程，可將聚類(lèi)成果以譜圖的形式繪制出來(lái)。

聚合歸類(lèi)時(shí)一般應(yīng)遵循以下原則：（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，所使用數(shù)據(jù)如果存在量級(jí)或單位上的差異，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和換算，確保聚類(lèi)數(shù)據(jù)的均衡性；（2）計(jì)算各樣品之間的相似測(cè)度，將測(cè)度最小的兩個(gè)樣品合并成一類(lèi)；（3）計(jì)算類(lèi)間的距離，根據(jù)距離大小合并最小的類(lèi)，重復(fù)并類(lèi)直到所有類(lèi)歸為一類(lèi)截止；（4）聚類(lèi)圖的繪制，根據(jù)不同的聚類(lèi)規(guī)則，得出不同的聚類(lèi)圖。根據(jù)上述思想，將日產(chǎn)氣量，氣層層厚等相關(guān)參數(shù)，作為聚類(lèi)分析的因變量，采用系統(tǒng)聚類(lèi)的方法，對(duì)研究區(qū)42 個(gè)井層的試氣產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行逐級(jí)歸類(lèi)，將儲(chǔ)層劃分為4 個(gè)等級(jí)（圖7）。

圖7 研究區(qū)儲(chǔ)層產(chǎn)量聚類(lèi)分析等級(jí)劃分樹(shù)狀圖Fig.7 Classification tree of cluster analysis in the study area

根據(jù)聚類(lèi)分析結(jié)果，可將研究區(qū)儲(chǔ)層分為如下4 類(lèi)：I 類(lèi)儲(chǔ)層單井日產(chǎn)氣大于50.0×104m3，II 類(lèi)儲(chǔ)層日產(chǎn)氣（10.0～50.0）×104m3，III 類(lèi)儲(chǔ)層日產(chǎn)氣（0.5～10.0）×104m3，IV 類(lèi)儲(chǔ)層日產(chǎn)氣小于0.5×104m3，將I～I(xiàn)II 類(lèi)劃為有效儲(chǔ)層，IV 類(lèi)為干層。利用聚類(lèi)方法將儲(chǔ)層按試氣產(chǎn)量劃分4 類(lèi)之后，再根據(jù)建立的散點(diǎn)圖計(jì)算出不同類(lèi)型儲(chǔ)層的孔喉半徑比值指數(shù)RI，將I～I(xiàn)II 類(lèi)有效儲(chǔ)層的RI值做頻率直方圖，如圖8 所示。圖中3 種類(lèi)型儲(chǔ)層隨RI值依次排列，隨RI值增大，儲(chǔ)層類(lèi)型依次從III類(lèi)變化到I 類(lèi)。

圖8 不同儲(chǔ)層類(lèi)型的孔喉半徑比值指數(shù)分布圖Fig.8 Distribution of capillary ratio index for different reservoir types

為了合理地確定不同類(lèi)型之間的界限，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)思想，當(dāng)兩個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)的概率分布有相互重疊時(shí)，則分區(qū)這兩類(lèi)的界限應(yīng)該定在兩類(lèi)丟失概率之和最小的位置，此時(shí)，該位置正好位于兩類(lèi)概率分布曲線的交會(huì)處。按照這一思想，根據(jù)圖中3 種類(lèi)型儲(chǔ)層RI值的頻率分布曲線的交點(diǎn)確定了各類(lèi)儲(chǔ)層的RI界限值。據(jù)此，克拉蘇西部地區(qū)白堊系巴什基奇克組儲(chǔ)層分類(lèi)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1 所示。

表1 研究區(qū)目的層段儲(chǔ)層分類(lèi)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Reservoir classification comprehensive evaluation indexes of target interval in the study area

研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)集層的分類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)：I 類(lèi)儲(chǔ)層，(0.110,1.000]；II 類(lèi)儲(chǔ)層，(0.015,0.110]；III 類(lèi)儲(chǔ)層，(0,0.015]；IV 類(lèi)儲(chǔ)層，RI<0。

4 實(shí)際應(yīng)用及效果檢驗(yàn)

利用上述方法對(duì)研究區(qū)X304 井6 872～7 001 m井段資料進(jìn)行了計(jì)算和處理，并按表1 所確定的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該井段地層進(jìn)行了儲(chǔ)層類(lèi)型劃分，共劃分出儲(chǔ)層34個(gè)，其中，I 類(lèi)層10 個(gè)、II 類(lèi)層15 個(gè)、III類(lèi)層2 個(gè)、IV 類(lèi)層7 個(gè)（圖9）。

圖9 研究區(qū)目的層段X304 井儲(chǔ)蓋組合識(shí)別儲(chǔ)層類(lèi)型成果圖Fig.9 Reservoir type identification of Well X304 in the study area

根據(jù)劃分結(jié)果，該段儲(chǔ)層以I、II 類(lèi)儲(chǔ)層為主，含少量的III 類(lèi)儲(chǔ)層和干層。整體上，儲(chǔ)層品質(zhì)較好。

該井6 873～6 991 m 進(jìn)行了測(cè)試求產(chǎn)，日產(chǎn)油4.52 m3，日產(chǎn)氣23.23×104m3，試氣結(jié)論為氣層。按照試氣產(chǎn)量，該層應(yīng)該劃分為II 類(lèi)儲(chǔ)層。綜合對(duì)比認(rèn)為，RI分類(lèi)結(jié)果與測(cè)試分類(lèi)結(jié)果基本吻合。說(shuō)明該儲(chǔ)層分類(lèi)方法和標(biāo)準(zhǔn)能夠有效地指導(dǎo)研究區(qū)有效儲(chǔ)層類(lèi)型的劃分。

5 結(jié)論

（1）通常利用常規(guī)物性參數(shù)難以準(zhǔn)確識(shí)別與劃分致密砂巖的有效儲(chǔ)層，采用基于油氣充注成藏理論的孔喉半徑比值法能很好地反映有效儲(chǔ)層界限隨深度變化的趨勢(shì)，克服了常規(guī)物性下限值不變所帶來(lái)的局限性。

（2）研究區(qū)深層有效儲(chǔ)層孔喉半徑比值的界限值與埋深具有較好的相關(guān)性，隨埋深的增加呈指數(shù)規(guī)律緩慢增大。表明有效儲(chǔ)層的界限值并非固定不變的，會(huì)隨著壓實(shí)程度和后期改造等因素而變化。

（3）利用孔喉半徑比值指數(shù)RI可有效劃分儲(chǔ)層品質(zhì)。對(duì)研究區(qū)測(cè)試產(chǎn)量定量分類(lèi)的基礎(chǔ)上，建立了RI值的有效儲(chǔ)層分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，并將有效儲(chǔ)層劃分為I、II、III 類(lèi)。實(shí)際應(yīng)用表明，克拉蘇西部深層有效儲(chǔ)層以I、II 類(lèi)為主，III 類(lèi)儲(chǔ)層相對(duì)較少。